[비즈한국] Ảnh bìa album đầu tay ‘Unknown Pleasures’ của ban nhạc rock Joy Division (Anh) khá ấn tượng. Đó là một thiết kế độc đáo với các đường cong nhấp nhô, dao động chồng lên nhau. Đây chính là dữ liệu quan sát quang phổ vô tuyến được mô phỏng lại từ PSR B1919+21, sao xung (pulsar) – một loại sao neutron đầu tiên được con người phát hiện. Thông điệp mà ban nhạc muốn truyền tải là thế giới âm nhạc của họ cũng đầy bí ẩn như chính sao xung vậy.
Năm 1967, nhà thiên văn học Jocelyn Bell đã phát hiện ra một thiên thể rất kỳ lạ thông qua Đài quan sát vô tuyến Mullard. Các xung vô tuyến liên tục phát ra từ một vị trí cụ thể với khoảng cách thời gian cực ngắn đến mức phi lý: cứ 1,337 giây lại có một xung vô tuyến kéo dài khoảng 0,04 giây. Do tính chu kỳ quá đều đặn, ban đầu bà thậm chí không tin đó là hiện tượng tự nhiên. Có người đã nửa đùa nửa thật cho rằng đó có thể là tín hiệu từ người ngoài hành tinh, nên họ gọi tín hiệu này là 'LGM' (Little Green Man - Người xanh nhỏ bé).
Đáng tiếc, danh tính của các xung vô tuyến này không phải là người ngoài hành tinh. Tuy nhiên, bản chất của nó cũng đáng kinh ngạc không kém. Đó là sao neutron – tàn tích để lại khi một ngôi sao khổng lồ sụp đổ thành một khối đặc nhỏ. Khi một ngôi sao khổng lồ sụp đổ xuống kích thước siêu nhỏ, nó trở thành một sao neutron tự quay với tốc độ chóng mặt. Sao neutron tạo ra từ trường mạnh, và trục từ trường có thể hơi nghiêng so với trục tự quay. Dọc theo từ trường, sao neutron giải phóng năng lượng mạnh mẽ. Do trục tự quay và trục từ trường hơi lệch nhau, hướng của luồng phản lực năng lượng cũng xoay dần theo chu kỳ ổn định, giống như ánh sáng từ một ngọn hải đăng đang quay. Nó được gọi là sao xung (pulsar) vì là ngôi sao phát ra các xung vô tuyến nhấp nháy theo chu kỳ.
Thông thường, sao xung là các sao neutron tự quay cực nhanh nên chu kỳ của tín hiệu xung cũng rất ngắn. Thời gian để một sao neutron hoàn thành một vòng quay chưa đến 1 giây, hầu hết ở mức mili giây. Sao xung quay nhanh nhất từng được phát hiện là PSR J1748−2446, được tìm thấy vào năm 2004. Ngôi sao này quay 43.000 vòng mỗi phút, tức là 43.000 RPM. Để so sánh, siêu xe có RPM cao nhất hiện nay là Gordon Murray T50 chỉ đạt 12.100 RPM. Một sao neutron khổng lồ lại xoay nhanh gấp 3-4 lần siêu xe! Trong thế giới sao xung, tốc độ siêu nhanh và chu kỳ ngắn là chuyện thường tình.
Thế nhưng, gần đây các nhà thiên văn học đã phát hiện ra một sao xung có chu kỳ cực dài, tự quay quá chậm. Chu kỳ của nó dài đến mức người ta nghi ngờ liệu nó có phải là một sao xung bình thường hay không. Đáng ngạc nhiên, sao xung kỳ lạ này có chu kỳ tự quay không phải là 1 giây, cũng không phải 1 phút, mà là 53 phút! Nó tự quay chậm rãi theo chu kỳ gần một giờ đồng hồ! Vậy danh tính của ngôi sao xung chậm chạp kỷ lục này là gì?
Sao xung quá chậm này được phát hiện hoàn toàn tình cờ. Ban đầu, các nhà thiên văn học dự định giám sát các thiên thể biến đổi đột ngột trên bầu trời đêm, như các vụ bùng nổ tia gamma với độ sáng thay đổi cực nhanh. Vì là hiện tượng biến đổi chỉ diễn ra trong tích tắc rồi biến mất, nên nếu nhìn nhầm chỗ sẽ rất dễ bỏ lỡ. Do đó, cần phải quét một vùng trời rộng lớn cùng lúc để kịp thời bắt lấy những hiện tượng này.
Các nhà thiên văn học đã sử dụng kính thiên văn vô tuyến ASKAP đặt tại sa mạc rộng lớn ở Tây Úc. 36 ăng-ten dạng đĩa khổng lồ, mỗi chiếc dài 12m, được kết hợp lại để cùng nhìn về một hướng trên bầu trời như một ăng-ten duy nhất. Chúng trông giống như một đàn chồn Meerkat đứng trên sa mạc cùng nhìn về một hướng. Kính thiên văn này có thể quét vùng trời rộng 30 độ vuông, tương đương với diện tích 150 mặt trăng tròn. Thông qua đó, vào ngày 15 tháng 10 năm 2022, họ đã theo dõi bầu trời trong 6 giờ liên tục để kiểm tra xem có hiện tượng thay đổi đột ngột về độ sáng hay vị trí nào không.
Tuy nhiên, một hiện tượng lạ không ngờ đã được ghi lại. Từ ngôi sao ASKAP J1935+2148 cách xa 16.000 năm ánh sáng, các xung tia gamma dài từ 10 đến 50 giây liên tục phát ra sau mỗi 3.225 giây. Việc lặp lại xung mỗi 3.225 giây đồng nghĩa với việc xung lặp lại rất chậm, cứ 53 phút một lần! Nhìn vào hình thái quang phổ của ngôi sao bí ẩn này, nó trông giống hệt một sao xung bình thường, ngoại trừ chu kỳ 53 phút cực chậm thay vì mili giây hay vài giây như thông thường.
Thông qua quan sát lần này, các nhà thiên văn học phát hiện ASKAP J1935+2148 là hỗn hợp của ba dạng xung khác nhau. Thứ nhất, tín hiệu xung mạnh nhất kéo dài 10-15 giây đã được ghi nhận tổng cộng 15 lần. Tiếp theo là tín hiệu xung yếu hơn khoảng 26 lần. Tín hiệu yếu này được phát ra trong thời gian ngắn khoảng 370 mili giây và chỉ xuất hiện 2 lần trong suốt thời gian quan sát. Cuối cùng, có những khoảng thời gian sao không phát ra tín hiệu xung rõ ràng. Điều này tạo nên một dạng phức tạp khi các tín hiệu xung có thời gian và cường độ khác nhau được phát ra cách nhau khoảng 53 phút.
Vậy danh tính thực sự của sao xung "chậm chạp" kỷ lục này là gì? Như đã giải thích ở trên, không thể hiểu nó là sao xung được tạo ra từ một sao neutron sụp đổ quay nhanh như thông thường. Sao xung sao neutron quay chậm nhất từng được biết đến cũng chỉ có chu kỳ khoảng 76 giây – tức là mất hơn 1 phút để quay một vòng. So với đó, sao xung mới phát hiện này có chu kỳ tới 53 phút (không phải 53 giây!). Để giải thích cho tín hiệu xung phát ra với chu kỳ chậm chạp như vậy, chúng ta có thể nghĩ đến một loại sao xung khác: khả năng sao lùn trắng trở thành sao xung.
Nói một cách đơn giản, sao lùn trắng có thể được xem là trường hợp ít cực đoan hơn so với sao neutron. Khi một ngôi sao có khối lượng nhẹ hơn kết thúc quá trình phản ứng hạt nhân và đối mặt với cái chết, nó sẽ thổi bay các lớp vật chất bên ngoài, để lại phần lõi đặc ở trung tâm. Vì không còn phản ứng hạt nhân, nó không thể tạo ra năng lượng mới mà chỉ từ từ nguội đi sau vụ nổ. Những mảnh vụn lùn tịt với bề mặt nóng và kích thước nhỏ này được gọi là sao lùn trắng. Còn sao neutron là mảnh vụn có mật độ cực cao còn lại sau khi những ngôi sao nặng hơn nhiều sụp đổ.
Thực tế, vào năm 2016, các nhà thiên văn học đã xác nhận rằng không chỉ sao neutron mà cả sao lùn trắng cũng có thể phát ra các xung vô tuyến định kỳ. Ngôi sao AR Scorpii cách Trái Đất 380 năm ánh sáng ở chòm sao Bọ Cạp là một hệ sao đôi gồm một sao khổng lồ đỏ và một sao lùn trắng quay quanh nhau. Tại đây, các nhà thiên văn học đã phát hiện các tín hiệu xung vô tuyến phát ra đều đặn khoảng 1,97 phút một lần. Tất nhiên, chu kỳ này vẫn ngắn hơn so với sao xung 53 phút mới phát hiện, nhưng nó vẫn chậm hơn rất nhiều so với các sao xung neutron thông thường vốn chỉ quay ở quy mô mili giây.
Vì vậy, có thể cân nhắc khả năng sao xung chậm chạp này là một sao lùn trắng có sao đồng hành bên cạnh. Để kiểm chứng, các nhà thiên văn học đã sử dụng thiết bị quan sát hồng ngoại HWAK-I trên kính thiên văn VLT tại Chile để quan sát bầu trời xung quanh ASKAP J1935+2148. Tuy nhiên, không có thiên thể nào khác phát ra tia hồng ngoại được tìm thấy ở khu vực đó. Khả năng nó là sao xung lùn trắng nằm trong hệ sao đôi có vẻ không cao.
Việc phân tích kích thước của ngôi sao dựa trên chu kỳ tự quay cũng mang lại kết quả rất đáng kinh ngạc. Sau khi giả định nhiều yếu tố như cường độ từ trường, độ cong bề mặt ngôi sao và áp dụng chu kỳ tự quay cực chậm này, nếu đây thực sự là sao lùn trắng, nó sẽ có kích thước vượt xa kích thước tiêu chuẩn của sao lùn trắng (0,14 bán kính Mặt Trời), một con số bất khả thi. Do đó, việc coi đây đơn thuần là sao lùn trắng cũng rất khiên cưỡng.
Một khả năng khác là đây là sao từ (magnetar) – một loại sao xung hình thành từ trường cực mạnh. Thông thường, sao từ giải phóng các tín hiệu xung phức tạp với chu kỳ khác nhau do từ trường mạnh bao quanh. Dạng quang phổ vô tuyến bất thường và phức tạp của ASKAP J1935+2148 cũng có thể hiểu theo hướng này. Tuy nhiên, giả thuyết này vẫn có hạn chế chí mạng: sao từ dù sao cũng là sao xung neutron có từ trường mạnh. Câu hỏi căn bản là làm sao một ngôi sao neutron mật độ cao, kích thước nhỏ như vậy lại có thể tự quay chậm với chu kỳ hơn 50 phút mà vẫn phát ra tín hiệu xung? Câu hỏi này hiện vẫn chưa có lời giải.
Rốt cuộc danh tính của sao xung "chậm chạp" này là gì? Nó thuộc về sao xung neutron mà chúng ta đã biết, hay sao xung lùn trắng vốn mới được phát hiện gần đây? Có lẽ, chúng ta cần phải xem xét một danh mục thứ ba hoàn toàn khác.
Tham khảo
https://www.nature.com/articles/s41550-024-02277-w
https://www.nature.com/articles/s41550-022-01688-x
https://www.nature.com/articles/nature18620
Tác giả Ji Ung-bae là ai? Anh yêu mèo và vũ trụ. Từ khi còn nhỏ, sau khi xem ‘Galaxy Express 999’, anh đã nuôi ước mơ lan tỏa vẻ đẹp của vũ trụ. Hiện anh đang nghiên cứu sự tiến hóa thông qua tương tác giữa các thiên hà tại Trung tâm Nghiên cứu Tiến hóa Thiên hà và Phòng thí nghiệm Vũ trụ luận thuộc Đại học Yonsei, đồng thời tham gia nhiều hoạt động truyền thông khoa học như giảng dạy và viết lách. Anh là tác giả của các cuốn sách như ‘Đài thiên văn đang tán tỉnh’, ‘Cả ngày suy nghĩ về vũ trụ’, ‘Sao, khoa học của ánh sáng’.